江都水利枢纽调度中心自动化系统的研究

薛井俊，王德俊，霍安新

（江苏省江都水利工程管理处，江苏 江都 225200）

0 引言

江都水利枢纽是江苏省江水北调的龙头，又是南水北调东线的源头。它以 4 座大型电力抽水站为主体工程，以京杭大运河、新通扬运河和三阳河为主要输水干道，与江都西闸和东闸、芒稻闸等15 座水上建筑物相配套，是具有灌溉、防洪、供水、排涝、发电、通航、改善生态环境等综合功能的大型水利枢纽工程。其中 4 座抽水站总装机 33 台套、55800 kW，设计流量 508.2 m3/s，为苏北地区乃至山东、河北等地区的工农业生产，城市供水，生态环境等方面提供了水源支撑。

为了满足经济社会的发展对水资源优化配置的需求，必须提高水利工程的供水能力。为此，将科学技术引入工程管理是确保工程安全，提高工程完好率的重要手段。将自动化监控和通信系统引入大型水利工程的管理中是水利工程科学化、现代化的重要手段。如何实现调度中心集中监控、优化调度、按权限操作，各水利工程现场“无人值班，少人值守”的管理模式是水利工程管理的当务之急。

1 系统设计

1.1 监控网络架构

调度中心自动化系统兼容各分中心自动化系统的数据采集、视频监视、操作控制等基本功能，实现优化调度、数据管理、诊断恢复、在线维护等功能，并对各水利工程的自动化系统进行监控管理；同时负责向上级调度系统传送各种运行数据，并接收上级调度指令。

监控网络采用 3 网 4 层的分层分布开放系统总体结构，网络架构如图 1 所示。3 网即运行调度、工程管理和信息发布网，采用分层结构的网络模式，使不同要求的信息在不同的网络通道上传输，避免相互干扰，确保系统控制的实时、安全和可靠性[1]。运行调度网采用双环网络，分为 A，B 网，分别配置不同的 IP 地址段。正常工作时只有主网络和主机节点在“值班”，而备用网络、主机节点处于“侦听”的“备用”状态下运行；主网络、主机节点异常或故障的情况下，备用网络、主机节点激活，确保系统实现无扰动运行。服务器、工作站均通过 2 个 100 Mbps RJ45 端口分别与 2 只环网交换机连接，采用 MODBUS TCP/IP 协议。工程管理网采用星形网络，各部门、单位的办公终端全部运行在本网内，可以通过 IE 浏览器调用 Web 服务器在工程管理网上发布的工程信息。信息发布网即为调度中心向上级部门发布信息的网络，根据水利工程运行和上级部门的需要，发布水利工程基本信息、运行状况、实时数据及水利法律法规，实现数据传输、语音交换、图文传真、图像监控等功能和资源共享。

图1 网络架构图

4 层即分中心监控、调度中心调度、工程管理和信息发布层，每层的功能各有侧重，相互协调配合实现自动化系统的全部功能。分中心监控层完成分中心设备的实时信息采集处理、视频监视、操作控制及数据上传等任务；调度中心调度层完成各分中心所有设备运行信息的管理和整理任务，并负责整个工程的调度；工程管理层主要完成信息在单位内部发布；信息发布层主要完成有关信息的对外发布与查询工作，采用 B/S 结构的信息浏览发布系统软件。

1.2 硬件配置

系统围绕实时监控、数据管理、资源共享 3 大职能，硬件架构如图 2 所示。系统组成如下：操作员工作站、数据服务器、环网交换机各 2 套，共享磁盘阵列及外围设备、培训站、工程师站、校时工作站、GPS 时钟装置、大屏幕系统各 1 套，Web 服务器、物理隔离装置、防火墙、办公交换机各 1 台。

图2 硬件架构图

2 台操作员工作站作为运行调度网上的监控主机，共享数据服务器、各分中心的资源，实现视频监视、信息监测、远程控制等功能。2 台数据服务器采用冗余设计，同时存储、管理各中心上传的数据，实现数据管理功能，并由主数据服务器将需要发布的数据信息传输到 Web 服务器上。Web 服务器作为工程管理网上的 1 个节点，通过物理隔离装置与运行调度网上的数据服务器实现数据通信，实现信息内部发布功能；通过防火墙与南水北调东线网、江苏省水利网、电力调度系统联网运行，实现信息外部发布功能。

物理隔离装置与冗余数据服务器、Web 服务器连接，将运行调度网与工程管理网联网运行。为了保证调度中心运行调度网的安全，隔离装置硬件装置采用非 Intel（及兼容）的双微处理器，装置内外 2 个处理系统，不同时连通；软件采取无 IP 地址的透明监听方式，支持网路地址转换，内设综合报文过滤，防止穿透性 TCP 连接；应用层解析支持身份认证，单向数据通信控制，单向连接控制。一旦违反安全策略的网络连接出现，系统将实时报警，并根据预先设定的控制策略做出响应，如立即阻断该网络连接等，防止将工程管理网的安全问题带到运行调度网中，有效防止病毒和黑客的攻击，实现对运行调度网的重点防护[2]。

系统配置的专用网管软件能够随时监测网络设备的运行状况，对基于网络的攻击进行防范，并提供权限、资源、故障等管理功能，对网络活动进行有效控制和管理，确保网络安全运行[3]。

1.3 软件架构

自动化系统在系统结构、计算机硬件、通信通道等硬设备确定和实施以后，软件的结构、功能等就成为监控系统项目成败的关键。

监控软件结构如图 3 所示，主要有监控平台、监控系统、实时数据库、历史数据库、通讯、信息发布等 6 个子软件[4]。

监控平台、数据库软件安装在数据服务器上，实现监控软件的统一开发和管理；监控系统、通讯软件安装在监控主机上，监测各个分中心的实时数据，在各分中心授权的情况下，实现对主辅机设备的远程控制，并存储监控系统的重要数据；信息发布软件安装 Web 服务器上，用于对外发布工、水情信息，实现资源共享。

图3 监控软件结构图

2 系统功能

2.1 通信

调度中心自动化系统的功能由软件来完成，而软件执行各个功能以通信方式完成，调度中心与各分中心之间必须实现高实时、可靠、稳定性的通信，才能保证整个水利工程稳定、高效运行。

系统通信具有运行可靠、数据准确、程序稳定、通信安全、功能测试、故障诊断等优点，采用通用、标准、开放、稳定的通信协议，保证了系统所需数据的可靠传输，实现调度中心全部数据的采集。通信分为调度中心与分中心、上级调度系统通信 2 种。

2.2 监控

系统能够实现： 1）以实物模型、动态图形、实时曲线、滚动报表等方式实时显示各分中心的运行数据，出现故障时能及时报警；2）对各分中心的设备进行远程控制、调节和调度，能以操作流程、操作票、三维动态模型等方式显示控制，调节过程；3）进行数据查询、画面编辑、计算统计、工程管理，实现各分中心自动化系统监视、报警、控制、调节功能；4）实时显示各分中心的视频图像，监听各分中心的声音，远程控制摄像机，支持与监控系统联动功能，并为网络用户提供视频图像网上浏览、远程控制功能，实现各分中心视频系统的监视功能。

2.3 管理

管理功能是对调度中心及各分中心的运行数据、工程概况、设备参数、故障信息进行计算，统计，分类，存储，为工程运行、管理、维护和改造提供基础数据，按数据类别可分为数据、工程、设备、故障 4 大管理类。

1）数据管理：对各分中心实时上传的数据进行处理，按规定格式存储，为工程管理、改造、信息发布提供原始数据。调度中心储存的泵站运行数据如表1 所示。

表1 自动化系统泵站运行数据表

2）工程管理：对工程管理范围、建设物等级评定、工程观测项目、工程维修信息进行分类统计归档。为工程维护养护、安全鉴定、更新改造提供基础信息。

3）设备管理：对主电动机、变压器、高低压开关柜、电缆、辅助设备及自动化系统等主要设备的铭牌数据，性能指标，配置参数，备品备件等信息进行分类、统计、归档，为工程维护养护、优化调度模型建立、工程优化调度提供基础信息。

4）故障检修管理：对工程运行过程中发现的故障信息和原因及维护记录进行分类、统计、归档，为工程维修养护、更新改造提供基础信息。

2.4 数据库

数据库是对通信、工程、设备等信息进行分析，统计，分类，计算和存储，为工程管理、信息发布、优化调度提供基础数据；整个系统的数据全部存储在调度中心数据服务器的数据库内，调度中心和各分中心的数据各自存储，互为备用。如果分中心的历史数据丢失, 可以通过调度中心存储的数据进行快速补充；调度中心数据库崩溃可以通过各分中心的数据库对其进行迅速恢复。数据库具有服务器、存储方式可靠，存储协议、格式简单等优点。

2.5 信息发布

1）内网信息服务：在工程管理网内对监控画面、工程运行状况、水情和设备信息、历史数据、值班情况、水利工程基本信息和管理法规等信息进行发布，工程管理人员在办公室就能实时监视工程运行状况。

2）公网信息服务：建立专门的公网信息发布网页，提供水利工程运行状况、实时数据信息、水利工程基本信息和管理法规，供其他部门人员了解水利工程运行状况，实现信息共享。

3）数据上传接口服务：建立专门的数据通信接口，接受上级调度系统下达的调度指令，并上传本系统的数据信息，实现远程调度和数据共享。

2.6 优化调度

在保证工程可靠运行的前提下，调度中心按照上级调度指令和工程调度原则，根据各分中心的规模、完好率、能耗、效率及水情信息、电网峰谷电价等因素，对调度指令进行合理分解，提出优化调度方案，各分中心根据优化调度方案和本中心优化调度模型控制工程运行，确保整个枢纽在最优工况下执行上级调度指令[5]。

2.7 诊断恢复

当诊断出故障时，立即采用语音、报警窗口、模拟光字牌等方式自动报警，并及时、准确地诊断出故障的原因和部位，在保证故障不扩大的前提下最大限度地恢复原来的功能；系统具有通信故障的诊断，冗余设备故障自动切换，硬件故障排除后软件恢复运行等功能，操作系统、应用程序、运行数据实时备份及一键恢复功能。

2.8 在线维护

1）硬件在线维护：若系统中的某台独立设备或冗余设备中的 1 台出现故障时，操作人员在不影响系统和工程的正常运行的情况下，对该设备进行在线维修或更换。

2）软件在线编辑：若监控软件的程序、画面、报表、定值、功能等需要调整时，工程师可以对监控软件进行在线编辑、修改、拷贝、存储。

3）远程开发维护功能：监控软件提供强大的分布式的远程集中开发、部署、诊断、维护功能，使开发人员通过网络即可对远程的监控节点提供集中开发、部署和维护服务。

2.9 仿真培训

在仿真培训工作站上，仿真培训程序模仿现场真实的工作条件、环境，使用与现场相同的虚拟设备与技术，以仿真演示的方式动态模拟显示工程运行情况，严格按照真实的情境来学习和训练如何按规程操作设备、处理工作中的实际问题，为操作员提供仿真培训，培训内容主要包括工程、系统结构、硬件、软件、规程等介绍，模拟操作及故障维护等。

通过仿真培训，可以缩短工人的技术培训时间，提高在岗职工技术素质和处理事故的应变能力。这种方法使培训效果与实际需要相吻合，又避免了对现实作业的干扰，可以永久使用，有助于节省大量的培训费用。

2.10 与防汛会商系统联网

系统具有防汛会商系统联网功能，为防汛抗旱决策支持系统提供最基础的信息，为决策层人员完成防汛部署、决策、指挥提供参考数据，主要包括：水情、水工建筑物、设备运行等信息；作为上级调度系统的 1 个子系统，能够与调度中心远程电视电话会议，为防汛抗旱决策提供快速通道[6]。

3 结语

本文以南水北调江都站调度中心为例，介绍了其自动化系统的网络、硬件和软件架构，并对系统的功能展开了叙述。目前，江都站调度中心自动化系统已经运行 18 个月，整个系统运行稳定可靠，降低了工程管理成本和运行成本，提高了工程运行管理效率和管理水平，有利于推动水利信息化产业的快速发展，对水利工程信息化的建设提供良好的参考和借鉴作用，具有显著的经济社会效益。

[1]戴建炜，张树京. 贵州乌江流域梯级远程集控中心计算机监控系统工程设计[J]. 水电厂自动化，2005 (3): 97-103.

[2]王旭仁，毕学尧，许榕生，等. 实时网络安全监控系统的设计与实现[J]. 计算机工程，2005 (4): 211-214.

[3]烟台勾股通信技术有限公司. 电力调度中心网络安全解决方案 [EB/OL]. (2008-10-29) [2010-09-20].http://www.gkzhan.com/Tech_news/Detail/12350.html.

[4]朱辰. 梯级水电站集控中心计算机监控系统软件[J]. 水电自动化与大坝监测，2007 (12): 5-9.

[5]冯晓莉，仇保云，黄海田，等. 南水北调东线江都排灌站优化运行研究[J]. 水力发电学报，2008 (8): 130-134.

[6]刘子豪，陈喜军. 基于组件技术的防汛会商系统[J]. 自动化博览，2003 (4): 46-48.